荒漠孑遺植物四合木對(duì)土壤古菌群落的影響

劉建利,王英娜,未 麗,王 靜,呂 燕,孫欽飛,茍 琪,李靖宇

1 北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家民委生態(tài)系統(tǒng)建模和應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021 2 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730020

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解者,驅(qū)動(dòng)著各種生態(tài)過程[1]。由于植物的定居,土壤微生物被分為光板地土體土壤(barren soil,非植株生長(zhǎng)區(qū)域)微生物、植物根區(qū)或根圍土(root-zone soil,植株生長(zhǎng)區(qū)域)微生物、植物根際土(rhizosphere soil,緊附根表層5 mm以內(nèi))微生物、植物根面土(rhizoplane soil,緊根表層)微生物和植物根內(nèi)生(endosphere)微生物[2-3]。根區(qū)和根際土是土壤微生物與植物相互作用的重要場(chǎng)所[4],一方面,植物通過根系活動(dòng)和根系分泌物,改變根區(qū)和根際土壤的養(yǎng)分含量及其他土壤理化性質(zhì),從而改變根區(qū)和根際微生物群落的組成,使得根區(qū)和根際與光板地土體土壤微生物群落組成和多樣性上具有明顯的差異[5-6]；同時(shí),根區(qū)和根際微生物通過自身代謝活動(dòng)將土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的形態(tài),促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物干旱、鹽堿等脅迫條件的適應(yīng)性[7-9]。目前,植物對(duì)土壤微生物影響的研究主要集中于細(xì)菌和真菌[4,10-11],提出根際微生物群落“兩步選擇”組裝模型,即根際微生物群落是通過植物對(duì)分布于根外土壤的微生物兩步篩選過程形成的[12-14]。

古菌過去一直被認(rèn)為僅存在于極端條件下。隨著在沼澤、稻田、農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)大量古菌的存在,其在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的地位引發(fā)了重視。土壤古菌與細(xì)菌一樣,在碳、氮、硫、鐵等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用[15-17]。有研究表明,植物的根和根際可以提供無(wú)氧或缺氧的微生態(tài)位,是產(chǎn)甲烷菌和氨氧化古菌的特殊棲息地,貢獻(xiàn)產(chǎn)生溫室氣體甲烷以及參與基于互生的氮循環(huán)。而自然生態(tài)系統(tǒng)中植物定居對(duì)土壤古菌群落影響鮮有報(bào)道[17]。

西鄂爾多斯地處亞非荒漠東部邊緣,自然地理景觀以草原化荒漠和荒漠化草原為主。由于邊緣效應(yīng)和古地理等原因,植被中的建群種和優(yōu)勢(shì)種大部分是古地中海孑遺種,被譽(yù)為古地中海孑遺植物“避難所”。四合木(TetraenamongolicaMaxim.),蒺藜科,強(qiáng)旱生落葉小灌木,起源于1.4億年前的古地中海植物區(qū)系,是中國(guó)特有的古老孑遺單種屬種植物,被譽(yù)為植物的“活化石”和植物中的“大熊貓”,國(guó)家一級(jí)瀕危珍稀保護(hù)植物,也是蒙古高原、亞洲中部的特征屬之一,全世界只在內(nèi)蒙古鄂托克旗西部-烏海-寧夏石嘴山地區(qū)作為建群種和優(yōu)勢(shì)種形成群落,是研究古生物與古土壤微生物相互作用的極好素材[18-19]。四合木相關(guān)微生物的研究已有開展,趙世超[20]以四合木、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、長(zhǎng)葉紅砂(Reaumuriatrigyna)、珍珠(Salsolapasserina) 4種荒漠珍稀瀕危植物群落根際土壤為研究對(duì)象,篩選到固氮、溶磷、對(duì)植物具有促生作用的功能菌種。甘霖[21]從四合木組織內(nèi)和根際土壤分離到解磷、產(chǎn)生吲哚乙酸、產(chǎn)尿酶、產(chǎn)鐵載體、產(chǎn)氨、產(chǎn)幾丁質(zhì)酶、抑菌、耐堿、耐鹽、耐重金屬活性的放線菌；白明生等[22]研究了一株四合木內(nèi)生真菌鏈格孢發(fā)酵產(chǎn)物抑制植物病原菌的活性；李驍[23]有用PCR-DGGE發(fā)現(xiàn)四合木分布區(qū)有煤樣地和無(wú)煤樣地土壤細(xì)菌遺傳多樣性有差異；孫芬[24]發(fā)現(xiàn)四合木、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、綿刺(Potanniamongolica)、半日花(Helianthemumsongaricum)等植物菌根侵染率高低不等。但對(duì)以四合木為建群種或優(yōu)勢(shì)種的生態(tài)系統(tǒng)中土壤古菌的研究未有涉及,因此,本實(shí)驗(yàn)采用高通量測(cè)序技術(shù)研究3種植物群落類型中四合木根際土壤和光板地土體土壤古菌群落特征,揭示四合木定居對(duì)土壤古菌群落的影響,為四合木保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

研究區(qū)域設(shè)在內(nèi)蒙古烏海市海南區(qū)甘德爾山四合木核心保護(hù)區(qū),土壤貧瘠,大陸性氣候,風(fēng)大沙多、干旱少雨、冬寒夏熱,熱量豐富。本區(qū)屬草原化荒漠地帶,土壤以灰漠土和棕鈣土為主,地表沙化嚴(yán)重[18-19]。

1.2 方法

1.2.1樣品采集

2019年8月,選擇了四合木核心保護(hù)區(qū)內(nèi)面積100 m×100 m、相距約1.2 km,以四合木為建群種或優(yōu)勢(shì)種的3種荒漠植物群落類型為研究樣地,記錄經(jīng)度、緯度、海拔、植物群落和土壤類型(表1)。在每個(gè)樣地梅花型設(shè)5個(gè)10 m×10 m的樣方,取每個(gè)樣方所有的四合木植株,圍繞植株3個(gè)方向,去掉3 cm表層土(腐殖質(zhì)層),分別取距離根部5 cm以內(nèi),深度0—20 cm土壤(礦物質(zhì)層),每個(gè)樣方內(nèi)植株土壤混合作為一個(gè)根區(qū)土壤樣品(Rz_soil),同時(shí)取距離四合木植株最近的無(wú)植物根系土壤作為光板地土體土壤樣品,共30個(gè)土壤樣品。將每份樣品分成2份,-80℃條件下保存一份供分子生物學(xué)研究,一部分土樣風(fēng)干過篩后用于不同理化指標(biāo)的測(cè)定。

表1 樣地及其特征一覽表

1.2.2土壤古菌的檢測(cè)

由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司在Miseq PE300平臺(tái)完成,PCR擴(kuò)增細(xì)菌古菌16S rDNA基因V3+V4區(qū),擴(kuò)增引物為515FmodF: GTGYCAGCMGCCGCGGTAA, 806RmodR: GGACTACNVGGGTWTCTAAT[25-26]；數(shù)據(jù)分析在在交互式微生物多樣性云分析平臺(tái)完成(www.majorbio.com,上海美吉生物科技有限公司):OTU劃分相似度為97%,選擇比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)Silva132/16S,分類置信度為0.7；挑取domain Archaea的OTU,按最小樣品序列數(shù)抽平；物種、樣本層級(jí)聚類方式用average,相對(duì)豐度計(jì)算用均值；多重檢驗(yàn)校正fdr,后檢驗(yàn)Tukey；多組比較策略one-against-all。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落α多樣性

3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌Sobs指數(shù)(觀測(cè)到的OTU數(shù)目)如圖1A,除四合木-針茅群落光板地土體土壤外,其余二種植物群落類型中的四合木根區(qū)土壤古菌Sobs指數(shù)均顯著高于處于相同植物群落類型中光板地土體土壤古菌Sobs指數(shù)。不同植物類群中光板地土體土壤 古菌Sobs指數(shù)兩兩之間均有顯著差異,而不同植物類群中根區(qū)土壤 Sobs指數(shù)只有最高的四合木群落中四合木根區(qū)土壤和最低的四合木-紅砂-珍珠-針茅群落四合木根區(qū)土壤古菌有顯著差異。Sobs指數(shù)顯示,荒漠孑遺植物四合木定居增加了根區(qū)土壤古菌的物種數(shù)量。

圖1 不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌Sobs指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)Fig.1 The Sobs index and Shannon index of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants *表示在5%水平顯著；* * *:表示在1%水平顯著；* * **:表示在0.1%水平顯著；Tm_Rs_Sp_S_Rz_soil:四合木-紅砂-珍珠-針茅群落根區(qū)土壤 The rhizosphere soil in the community of Tetraena mongolica, Reaumuria songarica, Salsola passerine and Stipa capillata；Tm_S_Rz_soil:四合木-針茅群落根區(qū)土壤 The rhizosphere soil in the community of Tetraena mongolica and Stipa capillata；Tm_Rz_soil:四合木群落根區(qū)土壤 The rhizosphere soil in the community of Tetraena mongolica；Tm_Rs_Sp_S_B_soil:四合木-紅砂-珍珠-針茅群落光板地土體土壤 The barren soil in the community of Tetraena mongolica, Reaumuria songarica, Salsola passerine and Stipa capillata；Tm_S_B_soil:四合木-針茅群落光板地土體土壤 The barren soil in the community of Tetraena mongolica and Stipa capillata；Tm_B_soi:四合木群落光板地土體土壤The barren soil in the community of Tetraena mongolica

3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落Shannon多樣性指數(shù)如圖1B,3種植物群落類型中的四合木根區(qū)土壤古菌群落Shannon多樣性指數(shù)均顯著高于所有光板地土體土壤古菌群落Shannon多樣性指數(shù)。不同植物群落類型中根區(qū)土壤古菌群落Shannon多樣性指數(shù)之間無(wú)顯著差異,但不同植物群落類型中光板地土體土壤 古菌Shannon多樣性指數(shù)在最高的四合木-針茅群落光板地土體土壤和最低的四合木-紅砂-珍珠-針茅群落光板地土體土壤之間差異顯著。因此,荒漠孑遺植物四合木定居提高了根區(qū)土壤古菌群落多樣性,植物群落類型變化對(duì)土壤古菌群落多樣性影響不顯著。

2.2 3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落的物種組成比較

在3種不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品中發(fā)現(xiàn)共3個(gè)門3個(gè)綱古菌,奇古菌門(Thaumarchaeota)和廣古菌門(Euryarchaeota)是所有植物群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品古菌的優(yōu)勢(shì)類群和次優(yōu)勢(shì)類群,其相對(duì)豐度在不同植物群落類型中四合木根區(qū)土壤古菌群落之間差異非常小,但在不同植物群落類型中光板地土體土壤古菌群落之間略有差異；在所有四合木根區(qū)土壤古菌群落中,奇古菌門相對(duì)豐度比處于同一植物群落類型中的光板地土體土壤古菌群落降低,相反,而廣古菌門在所有四合木根區(qū)土壤古菌群落中比處于同一群落類型中的光板地土體土壤古菌群落卻增高,納古菌門(Nanoarchaeota)只在四合木群落根區(qū)土壤古菌群落中出現(xiàn)(圖2A)。物種差異分析也顯示奇古菌門和廣古菌門相對(duì)豐度在所有樣品間有顯著差異(圖2B)；而不同植物群落類型中四合木根區(qū)土壤之間和光板地土體土壤之間均無(wú)顯著差異(圖2C,圖2D)。因此,四合木的定居使根區(qū)土壤中奇古菌門古菌減少,廣古菌門古菌增多,植物群落類型間無(wú)差異。

圖2 門水平不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落的物種組成Fig.2 The relative abundance of archaea at phylum level inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants

在3種不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品中共發(fā)現(xiàn)5個(gè)科古菌, Nitrososphaeraceae科是所有樣品古菌群落優(yōu)勢(shì)類群,海洋古菌類群Ⅱ中未分類的科(norank_o__Marine_Group_II)和熱原體綱未分類的科 (unclassified_c_Thermoplasmata)分別是所有四合木根區(qū)土壤古菌群落的次優(yōu)勢(shì)類群和相對(duì)豐度第三類群,但二者相對(duì)豐度在所有光板地土體土壤古菌群落中順序剛好相反。不同植物群落類型中的四合木根區(qū)土壤優(yōu)勢(shì)類群、次優(yōu)勢(shì)類群和相對(duì)豐度第三的類群之間差異非常小,但不同群落類型中的光板地土體土壤之間優(yōu)勢(shì)類群、次優(yōu)勢(shì)類群和相對(duì)豐度第三的類群略有差異。在所有四合木根區(qū)土壤古菌群落中Nitrososphaeraceae科相對(duì)豐度比處于同一群落類型中的光板地土體土壤相對(duì)豐度降低,但海洋古菌類群Ⅱ中未分類的科(norank_o__Marine_Group_II)相對(duì)豐度卻增高,熱原體綱未分類的科 (unclassified_c__Thermoplasmata)相對(duì)豐度變化不大(圖3A)。物種差異分析顯示Nitrososphaeraceae科和海洋古菌類群Ⅱ中未分類的科(norank_o__Marine_Group_II) 相對(duì)豐度在所有樣品間有極顯著差異(圖3B)；除過海洋古菌類群Ⅱ中未分類的科(norank_o__Marine_Group_II)在不同植物群落類型中光板地土體土壤之間有極顯著差異外,其余目和科類群在不同植物群落類型四合木根區(qū)土壤之間和光板地土體土壤之間均無(wú)顯著差異(圖3C,圖3D)。

圖3 科水平不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落的物種組成Fig.3 The relative abundance of archaea at family level inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants

因此,四合木的定居使根區(qū)土壤中Nitrososphaeraceae科古菌減少,海洋古菌類群Ⅱ中未分類的科(norank_o__Marine_Group_II)古菌增多,熱原體綱未分類的科(unclassified_c__Thermoplasmata)相對(duì)豐度影響不大,植物群落類型間無(wú)差異。

在3種不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品古菌中共發(fā)現(xiàn)共8個(gè)屬,其中相對(duì)豐度高于1%的有6個(gè),各樣品中優(yōu)勢(shì)屬不同,Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(norank_f_Nitrososphaeraceae)是四合木-紅砂-珍珠-針茅群落四合木根區(qū)土壤、四合木群落光板地土體土壤(Tm_B_soil)、四合木-針茅群落四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤的優(yōu)勢(shì)屬,暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)是四合木-紅砂-珍珠-針茅群落光板地土體土壤 的優(yōu)勢(shì)屬,暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)是四合木群落四合木根區(qū)土壤的優(yōu)勢(shì)屬(表2)。

表2 屬水平不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落的物種組成

四合木-紅砂-珍珠-針茅群落四合木根區(qū)土壤和處于同一群落類型中的光板地土體土壤古菌群落相比較,暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)和Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae)相對(duì)豐度顯著降低,暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)和海洋古菌類群Ⅱ中未分類的屬(norank_o__Marine_Group_II)相對(duì)豐度顯著增加,其余的屬無(wú)顯著差異(圖4A)。四合木-針茅群落四合木根區(qū)土壤和處于同一群落類型中的光板地土體土壤古菌群落相比較,Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae)相對(duì)豐度顯著降低,暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)相對(duì)豐度顯著增高(圖4B)。四合木群落中四合木根區(qū)土壤和處于同一群落類型中的光板地土體土壤(Tm_B_soil)古菌群落相比較,Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(norank_f_Nitrososphaeraceae)、暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)和Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae)相對(duì)豐度顯著降低,暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)和海洋古菌類群Ⅱ中未分類的屬(norank_o__Marine_Group_II)顯著增高(圖4C)。物種差異分析顯示,除Nitrososphaeraceae科未分類的屬(norank_f__Nitrososphaeraceae) 在不同植物群落類型中的四合木根區(qū)土壤間有顯著差異(圖4D),暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)、Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(unclassified_f_Nitrososphaeraceae)和海洋古菌類群Ⅱ中未分類的屬(norank_o_Marine_Group_II)在不同植物群落類型中的光板地之間有顯著差異外(圖4E),其余屬在不同植物群落類型四合木根區(qū)土壤之間和光板地土體土壤之間均無(wú)顯著差異。

圖4 屬水平不同植物群落類型中根區(qū)土壤和光板地土體間物種差異Fig.4 The different geneus of archaea inrhizosphere soil and barren soil obtained from different communities of plants

因此,四合木的定居使根區(qū)土壤中Nitrososphaeraceae科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae)和暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)減少,暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)和海洋古菌類群Ⅱ中未分類的屬(norank_o_Marine_Group_II)古菌增加,熱原體綱未分類的屬(unclassified_c__Thermoplasmata)相對(duì)豐度變化不大,不同植物群落類型不同對(duì)各個(gè)屬變化的影響不同。

Lefse物種差異判別分析顯示四合木-紅砂-珍珠-針茅群落四合木根區(qū)土壤古菌群落中海洋古菌類群Ⅱ中未分類的屬(norank_o__Marine_Group_II) 相對(duì)豐度較高,四合木-紅砂-珍珠-針茅群落光板地土體土壤古菌群落中暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)相對(duì)豐度較高,四合木-針茅群落四合木根區(qū)土壤古菌群落中無(wú)相對(duì)豐度較高的屬,四合木-針茅群落光板地土體土壤古菌群落中Nitrososphaeraceae科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae)相對(duì)豐度較高,四合木群落四合木根區(qū)土壤古菌群落中暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)相對(duì)豐度較高,四合木群落光板地土體土壤(Tm_B_soil) 古菌群落中Nitrososphaeraceae科未分類的屬(norank_f__Nitrososphaeraceae)相對(duì)豐度較高(圖5A)。平均所有不同植物群落類型中四合木根區(qū)土壤古菌群落,發(fā)現(xiàn)暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus)相對(duì)豐度較高,而平均所有不同植物群落類型中光板地土體土壤古菌群落,發(fā)現(xiàn)Nitrososphaeraceae科未分類的屬(unclassified_f__Nitrososphaeraceae) 相對(duì)豐度較高(圖5B)。

圖5 不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落Lefse物種差異判別分析Fig.5 The Lefse analysis of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants at genus level

在3種不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品中共出現(xiàn)70個(gè)古菌OTUs,所有植物群落類型中共有OTU數(shù)目均遠(yuǎn)高于四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤各自特有的OTU；除四合木-針茅群落(Tm_S)外,其余兩種植物群落類型中四合木根區(qū)土壤OTU總數(shù)和特有OTU遠(yuǎn)比處于同一植物群落類型中的光板地土體土壤OTU總數(shù)和特有OTU要多(圖6A—圖6C)；在不同植物群落類型中的四合木根區(qū)土壤之間和不同群落類型中的光板地土體土壤之間特有OTU都很少,共有OTU占比都較高,且不同植物群落類型中光板地土體土壤特有OTU之間差異要高于不同植物群落類型中四合木根區(qū)土壤 特有OTU之間(圖6D,圖6E)。因此,四合木定居使土壤古菌物種數(shù)目增多,植物群落類型不同對(duì)四合木根區(qū)土壤古菌群落影響小于對(duì)光板地土體土壤古菌群落影響,與Sobs指數(shù)分析結(jié)果一致。

圖6 不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落OTU水平韋恩圖Fig.6 The Venn of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants at OTU level

物種共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)表明,OTU1557、OTU8000、OTU3920、OTU7089、OTU2987、OTU2539是網(wǎng)絡(luò)中最重要的節(jié)點(diǎn)(圖7),與3種植物群落類型中所有樣品密切相關(guān),OTU1557和OTU3920是Nitrososphaeraceae 科未分類的屬(norank_f__Nitrososphaeraceae)和(unclassified_f__Nitrososphaeraceae),OTU8000、OTU7089是Nitrososphaeraceae科暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera),OTU2987和OTU2539是Nitrososphaeraceae科暫定Nitrocosmicus屬氨氧化古菌(CandidatusNitrocosmicus),它們構(gòu)成3種不同荒漠植物群落類型中土壤古菌的核心微生物組。

圖7 不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌OTU和樣品共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)Fig.7 The co-occurrence patterns of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of plants at OTU level

2.3 3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌功能預(yù)測(cè)

利用PICRUSt2軟件預(yù)測(cè)不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌功能,在相對(duì)豐度100以上的64個(gè)MetaCyc代謝通路功能中,四合木的定居對(duì)土壤古菌的功能影響顯著,前38個(gè)功能(相對(duì)豐度值1000以上)均減弱,后26個(gè)功能(相對(duì)豐度值1000以下)均增強(qiáng),差異功能大多集中于有氧呼吸、核苷酸合成、氨基酸合成等途徑(如圖8)。因此,四合木的定居并顯著影響土壤古菌的功能,減弱了高豐度功能,增強(qiáng)了低豐度功能,對(duì)有氧呼吸、核苷酸合成、氨基酸合成等途徑影響顯著。

圖8 不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌功能預(yù)測(cè)Fig.8 Predictions function of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants

2.4 3種荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌β-多樣性分析

將不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌群落采用bray-curtis距離聚類,結(jié)果如圖9A,所有四合木根區(qū)土壤和所有光板地土體土壤各自聚為明顯分開的分支,分支內(nèi)無(wú)論是不同植物群落類型的根區(qū)土壤還是空白區(qū)土壤樣本,都區(qū)分不明顯。主坐標(biāo)分析(PCoA)圖也顯示與聚類結(jié)果類似結(jié)果(圖9B)。ANOSIM分析表明組間差異較顯著(R2=0.594,P=0.001),PERMANOVA也顯示組間差異較顯著(R2=0.65,P=0.001)。因此,四合木的定居對(duì)土壤古菌群落影響較大,影響力不隨植物群落類型不同而顯著變化。

圖9 Bray-curtis距離不同荒漠植物群落類型中四合木根區(qū)土壤和光板地土體土壤古菌樣本聚類圖和PCoA圖Fig.9 The Hcluster and PCoA of archaea inrhizosphere soil and barren soil in different communities of desert plants at OTU level based on bray-curtis method

3 討論

本實(shí)驗(yàn)采用高通量測(cè)序技術(shù)研究了3種植物群落類型中四合木根際土壤和光板地土體土壤古菌群落,共發(fā)現(xiàn)3個(gè)門3個(gè)綱5個(gè)目5個(gè)科9個(gè)屬70個(gè)OTUs,shannon指數(shù)在1.5—2.2之間。俞冰倩等[27]研究表明黑龍江蘇打鹽堿地、新疆荒漠鹽堿地、山西平原鹽堿地、江蘇濱海鹽堿地和天津?yàn)I海鹽堿地5個(gè)地區(qū)的無(wú)植被覆蓋的裸露鹽堿土0—20 cm土壤古細(xì)菌OTU數(shù)目在489—604,shannon指數(shù)在3.7—6.1之間,其中與本實(shí)驗(yàn)研究樣地氣候環(huán)境較相近的新疆荒漠鹽堿地的古細(xì)菌OTU數(shù)目反而最多,達(dá)到604個(gè)OTUs,Shannon指數(shù)在5.4之間,遠(yuǎn)大于本實(shí)驗(yàn)獲得的OTU數(shù)和多樣性。推測(cè)可能與土壤取樣深度有關(guān),本實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)先摒棄了表層3 cm腐殖質(zhì)層,再取深度為0—20 cm的礦物質(zhì)層土壤,而被摒棄的表層土往往富含有機(jī)質(zhì),微生物數(shù)量(包括古菌)最為豐富[28-29]。

優(yōu)勢(shì)物種是微生物群落的一個(gè)重要特征。土壤類型不同,與植物根系空間距離,可能是影響土壤古菌優(yōu)勢(shì)類群的重要因素。俞冰倩等[27]研究中新疆荒漠鹽堿地的優(yōu)勢(shì)類群是廣古菌門鹽陸生菌屬(Haloterrigena),部分鹽堿地土壤優(yōu)勢(shì)類群為奇古菌門；張玥[28]研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲光板地、翅堿蓬、獐茅、白茅、羅布麻五種覆被類型下土壤古菌優(yōu)勢(shì)類群為廣古菌門；朱啟良等[29]研究發(fā)現(xiàn)楊樹根際土壤古菌中優(yōu)勢(shì)屬為奇古菌門Nitrososphaeria綱Nitrososphaerales目Nitrososphaeraceae科暫定Nitrososphaera屬氨氧化古菌(CandidatusNitrososphaera)。Nicol等[30]對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)根際土壤古菌優(yōu)勢(shì)類群為泉古菌門(Crenarchaeota)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種植物群落類型中四合木根際土壤和光板地土體土壤奇古菌門Nitrososphaeraceae科是所有群落類型中四合木根區(qū)土壤及光板地土體土壤樣品古菌的優(yōu)勢(shì)類群,與朱啟良等[29]研究結(jié)果一致。Nitrososphaeraceae 科是厭氧鐵氨氧化(Feammox)過程中重要的潛在功能微生物,參與將Fe(III)還原的同時(shí)將NH4+氧化,生成氮?dú)饣騺喯跛猁}或硝酸鹽的過程。

研究表明,土壤微生物會(huì)響應(yīng)植物的侵入、定居、繁殖、演替等變化[4],土壤古菌對(duì)植物的響應(yīng)這方面的研究也有零星開展。張偉等[31]研究新疆干旱半干旱土壤環(huán)境下,棉花連作對(duì)土壤古菌群落結(jié)構(gòu)造成的影響,棉花第一年種植就引起了土壤古菌群落Shannon等多樣性指數(shù)和OTUs快速提高,在棉花長(zhǎng)期連作過程中,從門到屬的不同分類水平上,都有部分類群在相對(duì)豐度上持續(xù)發(fā)生著調(diào)整,但改變的幅度逐年趨小,當(dāng)連作10年后,新的古菌群落結(jié)構(gòu)逐漸形成。馮利利[32]用實(shí)時(shí)熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)大同盆地的檸條林種植使土壤古氨氧化古菌相對(duì)豐度和數(shù)目都增多。Wei等[33]的研究卻表明在光板土壤中古菌多樣性最高,其次是堿蓬(Suaedaglauca)、水稻(Oryzasativa)、棉花(Gossypiumhirsutum)和小麥(Triticumaestivum)地土壤古菌多樣性降低。本研究表明四合木定居不僅增加了土壤古菌的物種數(shù)量,而且提高了土壤古菌群落多樣性,與張偉等[31]和馮利利[32]研究結(jié)果一致,但不符合“兩步選擇”組裝模型,卻符合基于微生物絕對(duì)豐度提出的“擴(kuò)增-選擇”組裝的新模型[17]。

植物對(duì)根部微生物的選擇,主要依賴根系分泌物、脫落物和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC),在細(xì)菌上有研究表明根系分泌物和微生物底物偏好驅(qū)動(dòng)根際和根區(qū)微生物群落組裝,促使根際微生物群落物種多樣性和豐富度增高[9],有關(guān)古菌與植物根系分泌物之間的關(guān)系的工作有待進(jìn)一步深入,這也是本論文后續(xù)工作的主要目標(biāo)。

4 結(jié)論

荒漠孑遺植物四合木定居改變了土壤古菌群落物種數(shù)量、多樣性、組成、功能等特征,在3種不同的群落中不僅增加了根區(qū)土壤古菌的物種數(shù)量,提高了根區(qū)土壤古菌群落多樣性,而且也顯著改變土壤古菌群落組成和功能。